2014 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
26630032
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
木塚 徳志 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10234303)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 摩擦 / 原子直視観察 / 接触境界 / 凝着 / 材料力学 / 剪断応力 / 電子顕微鏡 / ナノ操作 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、その場電子顕微鏡法を基盤として、ナノチップを基板に接触させて真実接触境界を作製し、その後、これを材料表面と平行に移動させて、摩擦を起こすことができる電子顕微鏡試料ホルダーを設計・製作した。装置全体の構成と材質に関する設計の他、特に、平行操作をするために最も適した原子間力顕微鏡用カンチレバーの選定とピエゾ駆動制御回路の設計・製作を行った。作製した試料ホルダーに対して、軟質金属（アルミニウム、プラチナ等）と高硬度金属（モリブデン、タンタル、ロジウム等）を材料として、実際に観察した時の空間分解能、ナノチップの移動精度と速度、力測定の分解能等の基礎性能を調べた。また、摩擦を起こす物体間の電位差は一般に同じであるとは限らないため、電位差があるときの接触境界の観察を基礎事項として行った。この結果、摩擦研究に本手法を適用する上で、基本性能は十分であることがわかった。特に、数十ナノメートル程度の長い距離で接触・引き離しや摩擦を起こしたときには、その位置に合わせて垂直抗力補正をすると、精度がより改善されることがわかった。本年度は、本手法の記録系に、最新の電子顕微鏡カメラを導入した。こうしたカメラは一般的に静的観察を対象としたものであり、格子像撮影時の解像度は十分ではあるが、本研究で求める動的観察には対応していなかった。このために、この記録系を用いて、最も良い解像度とフレームレートが得られる条件、およびそのときの最長観察時間を調べ、接触・引き離しや摩擦の原子レベル構造ダイナミックスを最も効率的に、的確に把握できる条件を導いた。この構造観察に合わせて、ピエゾ電圧等の検出信号を記録できるようにした。本研究の摩擦観察では、こうした測定値のサンプリングレートを、電子顕微鏡による構造観察と同時という条件のもとで、100kHz程度まで高めるため、新たなピエゾ駆動制御回路の設計を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の初年度にあたる本年度の予定は、（１）摩擦のダイナミックスを直接解析する手法の中核をなす摩擦研究用の電子顕微鏡試料ホルダーを設計・製作し、申請者がこれまで開発したナノ物質の変形をその場観察できる電子顕微鏡に組み込むこと、（２）作製した試料ホルダーに対して、種々の金属素材を材料として、実際に観察した時の空間分解能、ナノチップの移動精度と速度、力測定の分解能等の基礎性能を把握すること、（３）この中で特に注意したことは、数十ナノメートルの長い距離で摩擦を起こしたときにも、原子配列レベルで構造観察でき、かつそのとき垂直抗力を測定できるようにすること、（４）ピエゾ電圧（移動距離）、2方向の力測定値、および電流・電圧の計10種の検出信号の時系列データを、コンピューターを用いて画像観察と時間同期させて記録できるようにすること、そして（５）こうした測定値のサンプリングレートを、電子顕微鏡による構造観察と同時という条件のもとで高めるため、本観察システムに対応する新たな測定装置を開発することであった。本年度は、この目標にあった試料ホルダーを、申請者が部品の図面を描いて作製し、個々の部品を組み上げて本研究室で作製し、他の予定項目も実施された。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は、開発した試料ホルダーの最適化と各種材料間の摩擦観察を中心に研究を進める。具体的には以下のようになる。まず、初年度に実測した基礎性能をもとに、観察中心の振動を原子間隔以下に制御し、より長距離の摩擦ができるようにピエゾ素子と固定ジグを最適化する。またこれらに対応した、本年度に設計した駆動回路を製作する。次に、観察対象の材料を変え、回転軸や摺動部品となる鉄鋼、タングステン、モリブデンなどの高硬度金属、アルミニウム、ジュラルミンなどの軽金属、ナノ電子機械システムで使用されるシリコンやグラファイトなどの半導体に拡張する。そしてこれらに対して、改良された本手法を適用し、各種素材の摩擦を調べる。
|
| Causes of Carryover |
本研究者が設計し、製作を依頼した発注品の効果的な改良案が年度末に見出され、これを組み入れるために発注品納期を次年度に延ばしたため。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
理由欄に記載した次年度納品予定の発注品に当てる予定であるが、予定額を下回るときには、余剰分を他の必要な経費に充当する。
|
